中國粉體網(wǎng)訊 石英玻璃是半導(dǎo)體、新型顯示、新能源等諸多戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)不可或缺的關(guān)鍵原材料，對于相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈安全穩(wěn)定具有重要意義，目前沒有可替代材料，由國外龍頭企業(yè)掌握高端玻璃市場的話語權(quán)。經(jīng)過發(fā)展，我國石英玻璃產(chǎn)業(yè)在技術(shù)、市場占有率等方面取得了長足進(jìn)步。然而，我國高端石英玻璃產(chǎn)品羥基含量、金屬雜質(zhì)含量、批次穩(wěn)定性、生產(chǎn)效率等仍與國外產(chǎn)品存在一定差距。
石英玻璃的性能主要受原材料和生產(chǎn)工藝影響，如果原材料的純度不夠，則生產(chǎn)出來的石英玻璃會有各種問題，氣泡氣線、雜質(zhì)、羥基含量高、析晶嚴(yán)重都會導(dǎo)致各種性能不達(dá)標(biāo)。如果工藝控制不嚴(yán)格，出現(xiàn)羥基、內(nèi)應(yīng)力、條紋及微觀結(jié)構(gòu)缺陷，同樣會降低石英玻璃材料的性能指標(biāo)。
原料中的雜質(zhì)
堿金屬元素：Li、Na、K等堿金屬在熔融石英玻璃結(jié)構(gòu)中具有極強(qiáng)的助熔作用，導(dǎo)致其在高溫應(yīng)用中出現(xiàn)失透、變形等現(xiàn)象；其次，堿金屬會影響石英玻璃的熱學(xué)特性和光學(xué)特性，降低電光源、半導(dǎo)體等的使用壽命；除此之外，堿金屬還能增大石英玻璃的介電系數(shù)和介電損耗，影響石英玻璃的介電性能和機(jī)械強(qiáng)度。
過渡金屬元素：過渡金屬元素Fe、Cr、Mn、Ni、Cu等都有多種氧化態(tài)，常呈一定的顏色，對熔融石英玻璃質(zhì)量影響特別嚴(yán)重。比如微量過渡金屬元素會降低熔融石英玻璃的導(dǎo)電性，對儀器的可靠性和預(yù)見性起負(fù)面作用，還會使其產(chǎn)生色斑或高溫變色，影響透光性能。
Al、B和Ti等元素：石英中Al、B和Ti含量與礦床地質(zhì)有直接關(guān)系，Al、B和Ti進(jìn)入石英晶格中產(chǎn)生較強(qiáng)的化學(xué)鍵，是石英中最難脫除的雜質(zhì)元素。這些元素含量過高會嚴(yán)重影響石英玻璃的析晶行為，導(dǎo)致石英玻璃硬而脆，強(qiáng)度降低。
包裹體雜質(zhì)：天然石英中通常含有礦物包裹體、石英中的礦物包裹體和熔融包裹體由于粒度極細(xì)且被石英嚴(yán)密包裹，很難在不破壞石英晶體的條件下通過選冶方法除掉。流體包裹體對高純石英的影響首先表現(xiàn)在流體包裹體中富含金屬離子，是影響石英純度的主要因素之一。
羥基
石英玻璃中的雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)決定其物理、化學(xué)性能，而羥基的存在改變石英玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，進(jìn)而影響了其性能。羥基的存在會降低石英玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐熱性和光學(xué)均勻性等。
羥基的存在會改變石英玻璃的物理化學(xué)性能。石英玻璃優(yōu)異的性能特點主要依賴于石英玻璃穩(wěn)定的【SiO4】四面體結(jié)構(gòu)，當(dāng)存在羥基缺陷時，會斷開Si-O-Si網(wǎng)絡(luò)中的Si-O鍵，增加結(jié)構(gòu)的疏松度，降低石英玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性，減小其密度，降低其粘度。由于羥基增加了Si-O鍵的柔韌性，因此羥基含量的增加會使得石英玻璃楊氏模量Ｅ和扭轉(zhuǎn)模量Ｇ增加，軟化溫度降低，促進(jìn)析晶。
羥基的存在會影響石英玻璃的光學(xué)性能，羥基會引起紅外光譜的吸收。
采用電熔法制備的熔融石英玻璃中，羥基主要來源于高純石英砂原料中的流體包裹體，采用氣煉法制備的熔融石英玻璃中的羥基主要來源于氫氧焰，氫氣和水極易與二氧化硅中的氧反應(yīng)生成羥基，采用等離子熔制法制備的石英玻璃純度高、羥基含量低。
氣泡
流體包裹體在石英熔融過程不會完全爆裂，熔化前未爆裂的流體包裹體會在熔融石英玻璃中形成氣泡缺陷。熔融石英的粘度非常大，因此氣泡在其中很難被除去。因此，石英玻璃制備需選用包裹體數(shù)量少或已爆破、雜質(zhì)含量低的原料。
原料粒度分布不均勻會導(dǎo)致石英玻璃的氣泡和微量晶核的產(chǎn)生。比如在熔制過程中，由于表面活化能的不同，小顆粒石英比大顆粒石英優(yōu)先熔化，先熔化的石英熔液包覆于未熔化的石英砂表面，使大顆粒不易徹底熔化，形成顆粒缺陷，產(chǎn)生顆粒晶核，加速析晶。此外，小顆粒間隙所包含的氣體量多，增大了熔化排氣難度。
原料的顆粒形狀也是影響石英玻璃產(chǎn)生氣泡的原因之一。在高純石英砂的熔制過程中，長徑比大的針狀顆粒易形成架棚現(xiàn)象，使下料不暢，導(dǎo)致玻璃制品出現(xiàn)工藝氣泡。為了減少架棚現(xiàn)象，增加石英砂的流動性，要求石英砂為粒狀，長徑比盡量接近1:1，近似球形。因此，必須對原料的粒度分布與顆粒形狀進(jìn)行嚴(yán)格控制。
總之，石英玻璃品質(zhì)不佳主要有兩個方面，一是原材料的純度，二是生產(chǎn)工藝，必須從石英原料的處理和石英玻璃的生產(chǎn)的核心技術(shù)工藝這兩方面著手去提高石英玻璃的性能。
參考來源：
符博等.石英玻璃中羥基對其性能的影響
張玉等.石英玻璃的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢
譚琦等.熔融石英玻璃制備工藝研究進(jìn)展
馬千里.高純石英玻璃制備過程的研究和工藝優(yōu)化
張萌等.對石英玻璃產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的幾點思考
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/初末）
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